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山社电机分析步进电机的控制基本原理

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许多应用都会用到功率低于300 W的小型电机,例如汽车、打印机、复印机、纸张处理机、工厂自动化、太空和军事载具、测试设备和机械人。整体而言,电机的产量约和其功率大小成反比,这表示小型电机的产量远超过大型电机。应用最广泛的小型电机包括直流电机、直流无刷电机和步进电机。

步进电机、直流电机和无刷直流电机的主要区别在于它们的驱动方式。步进电机是以步阶方式分段移动,直流电机和无刷直流电机通常则采用连续移动的模拟控制方式。

步进电机都是通过脉冲信号控制的,一般都是一个用来产生一定频率脉冲的单片机(脉冲频率用来控制速度),经过信号隔离放大(达到驱动电机的电压)来驱动控制步进电机。

可以用单片机 全集成步进电机驱动芯片来整全应用,这样比较简单,控制上很方便。用普通的51单片机像AT89C2051或STC12C1052 THB7128或THB6064这类芯片来组合就可以。单片机根据输入来决定输出的脉冲数量,让步进电机驱动芯片转化成功率信号驱动步进电机。

目前市场上常见的步进电机已能提供每一步1.8°或0.9°的精确移动能力。因为是一个脉冲走一步的,所以输出的脉冲数还要考虑到细分数的问题,固定转动步数、角度的程序还是比较容易编。像1.8度的步进电机,2细分时,转一圈就需要400个脉冲,转半圈只需要200个脉冲,转90度只需要100个脉冲,如此类推。

关于程序,固定一个适当的频率,按键触发启动定时器,然后在定时中断里取反一个IO端口做脉冲输出,再放入一个累加变量做计算,算脉冲数量,是取反两次输出一个完整的脉冲,在主程序中设定一个需要的脉冲数量来作为条件控制定时器的开启和关闭,然后循环等待条件满足需求。

由于步进电机采用步阶移动,所以特别适合绝对寻址应用,步进电机采用直接控制方式,它的主要命令和控制变量都是步阶位置 (step position);相形之下,直流电机则是以电机电压做为控制变量,以位置或速度做为命令变量。直流电机需要反馈控制系统,它会以间接方式控制电机位置,步进电机系统多半则是以「开环」方式进行操作。

专注微型步进电机控制方案专家的山社电机工程师建议要注意的问题是,如果想把控制、驱动与步进电机都整合在一起,比较麻烦,小电机还好,大电机的干扰是个问题。